精神 神経 学 雑 誌

総第 121 巻 第 12 号（2019） 926 ₉₄₀ 頁

説

放射光ナノトモグラフィ法を用いた統合失調症における神経細胞の構造変化の解析―脳組織の幾何学―

糸川昌成1,2），大島 健一1,2），新井 誠1），鳥居 洋太3），久島 周3），
入谷 修司2,3），尾崎 紀夫3），雑賀 里乃4），水谷 隆太4）

Masanari Itokawa, Kenichi Oshima, Makoto Arai, Youta Torii, Itaru Kushima,
Shuji Iritani, Norio Ozaki, Rino Saiga, Ryuta Mizutani：Structural
Alteration of Neurons in Schizophrenia：Geometry of Brain Tissue

Kraepelin, E. が早発性痴呆の概念を提案したとき，彼は将来に神経病理学的所見が発見されることを期待した．その後 120 年の間にさまざまな神経病理学的な特徴が発表されたが，いまだ確定した所見は得られていない．われわれは，ホルマリン固定された統合失調症 4 例，これらと年齢・性別の一致した対照 4 例の前部帯状回ゴルジ染色標本について放射光ナノトモグラフィ法を用いて三次元構造をナノメータースケールで解析した．測定は，大型放射光施設 SPring 8 と，
米国アルゴンヌ国立研究所 Advanced Photon Source において行った．得られた三次元像から，専用のアルゴリズムを用いて広い意味でのいわゆる AI により神経ネットワークを自動トレース
させ，神経細胞の構造をデカルト座標に変換して構造変化を幾何学的に検討し，統合失調症例の2,592 本と対照例の 2,069 本の神経突起を解析した．その結果，対照 4 例と比較して統合失調症 4例の神経突起で，有意に大きな曲率を見出した（1.5 倍：P＝0.020）．興味深いことに，最も高い曲率の症例では，カルボニルストレスの除去酵素であるグリオキサラーゼ 1 遺伝子にフレームシ
フト変異が見出され，治療抵抗性の臨床像が同定されていた．これまで統合失調症での神経細胞の構造変化について，長年にわたって困難な検討が続けられてきた．放射光ナノトモグラフィ法による組織構造の幾何学的解析は，この長く続いてきた懸案に光明を与える可能性が期待できると考える．
＜索引用語：統合失調症，神経細胞，放射光，トモグラフィ法＞

は じ め にしかし，これらの報告は一定せず既報の所見を否

統合失調症の脳において，これまで神経細胞の定する研究も散見されてきた14,16）．統合失調症にさまざまな構造変化が報告されている7,14,16,21,23,45）．

関する遺伝子，脳画像，生化学など生物学的研究

著者所属：1）東京都医学総合研究所，Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science2）東京都立松沢病院，Tokyo Metropolitan Matsuzawa Hospital3）名古屋大学大学院医学系研究科，Nagoya University Graduate School of Medicine
4）東海大学工学部生命化学科，Department of Applied Biochemistry, Tokai University
受 理 日：2019 年 7 月 10 日

糸 川・他：統合失調症における神経細胞の構造変化

では，神経変性疾患などと比較すると結果の再現927の問題が伴う．

性が低いことが長年未解決となっている．それにわれわれは，生化学マーカーを用いて，①の問

ついては，①疾患定義（異種性を含む），②解析技

題解決を試み，放射光と呼ばれる技術を用いて②術精度に原因を帰着させる議論がこれまで行われの課題に挑んだ結果，興味深い所見を得た．本稿てきた1,6）．

では，放射光による統合失調症例脳組織の解析を

19 世紀末まで，精神疾患は横断面の症状の集合報告した論文37）を基として解説を加え，すでに臨として捉えられていた39,40）．光学顕微鏡の発達，床試験にまで進行中のカルボニルストレス（①）

および死後脳の固定法や染色技術の進歩に伴ってと，世界最先端の第三世代放射光施設（②）を融神経病理学が隆盛期を迎えると，病理所見・症合させた研究の自験例について紹介し，統合失調状・経過・転帰を単位とした疾患概念が提案され症の脳病態を研究するうえで長年未解決だった再始める．Alzheimer, A. が神経原線維変化を認知

現性問題について一定の解決策を考察する．

症の典型として Auguste 症例で報告したのを嚆矢として，さまざまな神経病理所見が発見され多Ⅰ．放射光ナノトモグラフィ法

くの疾患単位が提案された．このような時代を背コンピュータ断層撮影法，いわゆる CT スキャ

景に Kraepelin, E. が初めて縦断面で精神障害をンは，測定対象を周回して X 線像を何枚も撮り，捉え，神経病理所見を示さない症例を対象に，慢画像をコンピュータで処理して，内部の構造を可性に経過して荒廃に至る早発性痴呆と予後の良好

視化する19）．1970 年代に実用化されて以降，広くな躁うつ病の二大分類を提案した20）．ここで，診断に活用されているのはご承知の通りである．

Kraepelin は神経病理所見が将来同定される可能

精神科領域でも，統合失調症で脳室拡大が検討さ性を期待していた．以後，120 年間で，統合失調れる18,22）など，さまざまな応用例が報告されてい症の病理所見として報告されたもののほとんどはる．

再現性が低く，この状況を表現して米国の Plum,

それら医療用 CT は，空間分解能がミリメータ

F. が述べた「神経病理学者の墓場」が繰り返し引

スケールであり，神経回路を構成する個々の神経用された41）．これは，統合失調症が多くの内科疾

細胞は観察できない．しかし，各種の精神疾患の患のように物理化学的状態を根拠に定義づけられ症状は，巣症状を伴わず認知や判断の微細な褶曲た単位ではなく，上述のように経過から二分したであることから，脳の神経回路の変化を示唆して集合体，いわゆる症候群であるためである．つまいる．神経回路を形作る神経細胞や，そのネット

り，研究者ごとに対象被験者が異なる母集団からワーク構造を見ようとすれば，より高い分解能が抽出されている可能性が極めて高いから，再現性必要になる．そのような高分解能で疾患例と対照は当然担保されない．

例の脳組織の三次元構造を比較できれば，精神疾1990 年以降は，神経疾患で同定されたような疾
患特異的な封入体や異常蛋白よりは，神経構造の患で神経細胞の形がどのように変化しているか，
あるいは，いないかが明らかにできる．

微細な変化として棘突起（スパイン）の減少が比そこでわれわれは，医療用 CT より分解能が較的再現性をもって報告されるようになっ3〜4 桁高い X 線マイクロトモグラフィ（microto-

た11〜13,42,44）．しかし構造変化に関しては，三次元

mography：micro CT）法やナノトモグラフィ的な存在である脳を二次元像で評価するところに（nanotomography：nano CT）法を用いて，脳組無理があり，どこをどちらからみるかという点で織 の 構 造 を 解 析 す る 研 究 を 進 め て き

人為性が入ってしまう．また，実際問題として薄た25,26,28,31〜33,35,37）．その方法の概略を図 1 に示す．

切切片の作製で組織にゆがみが生じるため，組織高い分解能を得るには，ピクセル幅を小さくするの構造変化を同定するとなると，ここでも再現性必要がある．ピクセル幅を小さくすると，輝度の精 神 経 誌（2019）121 巻 12 号

928
a

b

d

e

10 mm
c

20μm
図 1 放射光ナノトモグラフィ法による脳組織解析
a：本研究では前部帯状回の脳組織を用いた．b：ナノトモグラフィ測定に用いる検体（文献 36 より引用）．ガラス管のな
かの黒くみえる部分がゴルジ染色した脳組織である．左側が日本の SPring 8 で測定する場合，右側が米国アルゴンヌ国
立研究所 APS で測定する場合の検体．c：APS での測定の様子．矢印の先に検体をマウントし，検体を回転させながら
写真右奥の機器で X 線像を撮る．d：神経細胞の X 線像から，トモグラフィ再構成計算により三次元像を求める．e：それをトレースしてデカルト座標系で記述された構造モデルを構築し，症例間の違いを幾何学的に評価する．

高い光源が必要となる．光学顕微鏡でも倍率の 2

ヌ国立研究所 Advanced Photon Source（APS；

乗に比例して強い光源が必要になるが，X 線も同

イリノイ州）を利用している．これら日米両国が様である．

誇る放射光施設は，第三世代と呼ばれる最新のタ

強い X 線を発生させる方法はいくつかあるが，イプのものであり，世界中のだれでも申請可能

広く用いられるのは放射光（synchrotron radia-

で，課題が認められれば測定実験を行うことがで

tion）である．放射光は，荷電粒子の軌道を曲げきる．SPring 8 は兵庫県西播磨の山中にある．三ると発生する．加速器を使った素粒子の探求は，

原栗山を一周する巨大なリング状の建物のなか

物理学の大きなテーマの 1 つであり，最近ではに，各種の実験ステーション（ビームライン）がヒッグス粒子の存在が確認され，ノーベル賞

整備されている．実験では，ハッチと呼ばれるコが授与されている．そのような加速器実験では，ンテナのような測定室のなかに検体をセットし，荷電粒子の向きを磁石で曲げたりする．その際，外から制御して X 線像を撮る．SPring 8 では，光が放出されて，エネルギーの損失となる．しか小惑星探査機「はやぶさ」の帰還サンプルの解析46）

し，この光が広いスペクトルと高い指向性をもつが行われたり，和歌山毒物カレー事件のヒ素の鑑ことから，利用する研究者が現れるようになり，

定38）が行われたりなど，多種多様な研究・実験がついには専用の施設まで作られるようになった．

進められている．

5,10）

これが放射光施設である．

もう一方の米国アルゴンヌ国立研究所は，人類

われわれは，そのような放射光施設のうち，大史上初めて臨界に達した実験炉「シカゴパイル 1型放射光施設 SPring 8（兵庫県）と米国アルゴン

号（CP 1）」が移設されて，発祥の地となった．

糸 川・他：統合失調症における神経細胞の構造変化

929

米国の国立研究所はこのように核兵器の歴史と密の影響を受けるので，あまり勧められない．この接にかかわっており，現在でもものものしい警備ようにして準備した検体の様子を図 1b に示す36）．

体制が敷かれている．東京都千代田区のおよそ 6

日本の SPring 8 と米国の APS で測定装置の仕様割に相当する広大な敷地には，さまざまな施設・が異なるため，それに合うようにアダプタを製作設備が設置されており，放射光施設である APSし，マウントに使っている．

は，そのなかでも主要な位置を占めている．

これら放射光施設では，年に 2 期ないし 3 期の配分時期が設定されており，われわれは両施設合Ⅱ．検体と測定

わせて最大で年数回の測定実験を行っている．施

次に，ナノトモグラフィ測定で用いる脳組織検

設は 24 時間稼働しており，昼夜交代で実験を行う

体に関して説明する．X 線で観察するためには，ことになる．測定検体をいくつも持ち込んで，数観察対象が X 線と相互作用する必要がある．しか日間は測定ばかり繰り返し，年間で数十テラバイ

し，残念ながら脳組織は軽元素でできており，X

トのデータを得る．

線ではみえにくい．このような場合は，何らかの得られた X 線像は，コンピュータを用いてトモ方法でコントラストを強調する必要がある．われグラフィ再構成という計算を行い，断層像に変換

われは重元素が X 線と相互作用しやすいことをする．これがコンピュータ断層撮影法といわれる

利用し25,32），ゴルジ法により神経細胞を銀で染色ゆえんである．十数年前にこの研究を始めた頃

して，X 線可視化している

は，1 枚の再構成計算に 3 分以上かかったが，そ．

26,28,31,37）

脳組織検体は書面により遺族の同意を得たうえの後の関連技術の発展はすばらしく，現在では 1

で，プライバシー保護に配慮して取り扱ってい秒以下で計算が済んでしまう．図 2 に，ヒト脳のる．ヒト組織を研究に用いることに関しては，東神経細胞の X 線像と断層像の 1 例を示す．われわ

海大学「人を対象とする研究」に関する倫理委員

れの場合は，計算を測定施設の間で統一する必要会，同医学部臨床研究審査委員会，東京都医学総が あ る た め， 独 自 に 開 発 し た ソ フ ト ウ ェ ア

合研究所倫理審査委員会，米国アルゴンヌ国立研（https://mizutanilab.github.io/）を用いて再構成

究所 Institutional Biosafety Committee を含め，計算を行っているが33,37），各放射光施設でも，そ関連各機関での審査を経て，認められた条件にれぞれ専用のソフトウェアが用意されている．

従って研究を実施している．ゴルジ染色した検体

断層像を積み重ねれば三次元像となる．1 例をは，実体顕微鏡の観察下でおおよそ 0.5×0.5×5

図 3a に示す．X 線マイクロトモグラフィ法あるい

mm の大きさに細切する．測定は数〜数十分であはナノトモグラフィ法の主な利点は，①不透明なるが，その間は検体がナノメータースケールで変物質にも適用可能，②等方的な分解能，③歪み・形しないようにする必要がある．このため，ガラ補正不要の三次元可視化，の 3 点である．光学顕スキャピラリ中で脳組織をエポキシ樹脂に包埋し微鏡を用いる場合には，何らかの透明化処理を施て固めている．米国で実験する際は，航空機で運したり，表面近くだけ測定したり，波長を選んだ

ぶ必要があることや，ヒトの神経組織をアルゴンりする必要があるが，X 線にはそういう制約がな

ヌ国立研究所で用いるにはバイオセーフティ審査

い．分解能は，可視光では光軸方向とそれ以外でを経る必要があるなどの事情から，何らかの樹脂変わったり，表面からの深さに依存して変わったに包埋することは必須と思われる．エポキシ樹脂

りするため，得られる構造に異方性が生じてしまには電子顕微鏡で用いられるものもあるが，われう．X 線トモグラフィ法では方向によらず均一な

われはより透明度の高い岩石試料用の樹脂を用い分解能が得られるので27,29,30,34,43），原理的に異方性ている36,37）．光学的に濁った樹脂など（例えばパを伴わない．また，電子顕微鏡などで切片を作製ラフィン）は，X 線であっても微粒子による散乱

して積み重ねて三次元像とする方法が報告されて3

精 神 経 誌（2019）121 巻 12 号

930
a

b

図 2 放射光 X 線で観察したヒト大脳前部帯状回の神経細胞
a：放射光 X 線で撮影した神経細胞像（文献 37 より引用）．ゴルジ染色．このような画像を，例えば 0.1 度ステップで回転させながら 1,800 枚撮像し，トモグラフィ再構成計算に用いる．b：再構成計算により得られた断層像の 1 例．a の中央下寄りにある細胞体の位置での断層像．スケールバーはいずれも 20μm．

a

b

c

d

図 3 放射光ナノトモグラフィ法により得られたヒト神経細胞の三次元構造
放射光ナノトモグラフィ法により得られたヒト神経細胞の三次元像をトレースし，デカルト座標系でモデルを構築した．a：対照例の三次元像の 1 例．前部帯状回 BA24 野の内錐体細胞層で，上が脳表．スケールバーは 20μm．b：まず，大きな構造を同定し，初期モデルを構築した．c：
次に，画像処理により神経突起を自動的にトレースさせた．d：得られたモデルを観察・修正し，精密化して最終構造とした．神経細胞や神経突起を色分けして表示している．
（文献 37 より引用）

糸 川・他：統合失調症における神経細胞の構造変化

931

きているが，切片作製では組織の変形が避けられ率で表現できる．曲率は半径の逆数であり，値がない．それを 1 枚 1 枚補正して三次元像を再構成

小さいほど急カーブであることを表す．捩率はねすると，その過程で組織の重要な特徴が失われる

じれのパラメータで，曲線の平面からのずれを表可能性がある．特に，今回注目する構造パラメー

す．捩率には円とラセンの違いが反映され，右巻

タは影響を受けることが容易に想像される．X 線でき・左巻きに対応した正負の値をとる．これら幾は切片を作製しないので，画像の補正は一切しない．

何学的パラメータを各神経突起から計算して，その分布を表す蜂群図（beeswarm plot）としたの

Ⅲ．神経細胞の幾何学が図 5 である．神経突起は枝分かれで分けて，各以上により得られる三次元像は画像であり，そ分枝の平均値を求めている．したがって，1 つ 1のままでは比較が難しいため，神経細胞の構造をつの点が，1 本 1 本の突起やその分枝に相当する．

パラメータ化し，数値で表さなくてはならない．

棘突起（スパイン）は別途同様の解析をしている

画素の濃さは確かに数値で表されているが，それので後述する．

では疾患例と対照例をうまく比較できない．何か変換操作が必要である．

この図をみると，まず第一に曲率の分布が個人ごとにずいぶん異なることがわかる．対照 4 例のそこでわれわれは，神経細胞の三次元像をト間だけでも，分布の中央値に統計的な有意差があ

レースし，その構造をデカルト座標系で記述しる（Kruskal Wallis test，P＜2.2×10−16；ここでて，構造モデルを構築している．その様子を図 3は有意水準を P＝0.05 とする）．統合失調症 4 例でに示す．構造モデルの構築では，まず細胞体や頂も同様である．これは，神経突起の形が人それぞ

上樹状突起，毛細血管などの大きな構造を見つけれ違うことを示している．神経突起の構造が異なて，おおまかな初期モデルを組む．次に画像全体るということは，神経回路の構成が個人の間で異を専用のアルゴリズムを用いた広い意味での人工なるということである．今回解析した前部帯状回

知能（artificial intelligence：AI）技術で処理しは 情 動 機 能・ 認 知 機 能 に 関 与 す る と さ れ て おて，神経突起を自動的にトレースさせる．その際り8,9），それら機能を担う神経回路が異なることにには，gradient vector flow 法を用いて三次元像なる．すなわち，精神的な個性が神経突起の幾何のなかで神経突起を検出した後，Sobel filter によ

学的パラメータとなって現れたことを示唆していり突起の画像をたどってトレースした37）．そのる．そのような細胞レベルの物理パラメータはこ

後，三次元像とモデルをグラフィックス上で重ねれまでに報告がない．

合わせて観察し，モデルを修正したり，足りない第二に，統合失調症例と対照例を比較すると，ところを追加したりする．最後に，画像への一致

統合失調症では曲率の分布が上に伸びており，神度を表す目的関数を設定して，最小二乗法により経突起の曲率が大きいことがわかる（図 5a）．毛座標を最適化する．図 4 に示すのは，このように細血管がおおむね半径 3〜5μm であり，曲率ではして解析した一群の構造モデルである．これら

0.2〜0.3μm−1に相当するが，その何倍もの曲率では，統合失調症 4 例それぞれの大脳前部帯状回

曲がっている神経突起が多くある．このような突BA24 野から，検体を準備して解析した．年齢・起が一体どこにあるのか検討するため，神経突起性別を合わせた対照 4 例も，同様に解析を行っを 2 つのグループに分けてプロットしたのが図

37）

た ．

5c，d である．グループ分けは突起が細胞体につこの方法で得られるモデルは完全に三次元座標

ながっているかどうかで行った．三次元像の神経で記述されており，容易に幾何学的パラメータが突起には，細胞体までたどれるものと，視野で見算出できる．神経突起は，三次元空間の曲線と捉切れたりして，細胞体につながっていないものがえることができるが，三次元的な曲線は曲率と捩ある．視野のなかで細胞体につながっていない突精 神 経 誌（2019）121 巻 12 号

932

図 4 統合失調症例の解析から得られた脳組織の構造モデル
スケールバーはすべて 20μm．（文献 37 より引用）

起は，視野よりも遠いところに細胞体があると考与したラットでも観察されている47）．しかし，二えられる．これらを別々にプロットすると，細胞次元的な組織像では，切片を作製する方向によっ

体につながらない突起（図 5c）が，統合失調症例て円弧が直線にみえる可能性もあり，どのようにで明らかに曲率が大きい．それら突起の曲率の平切片を作製するかという点で，構造の評価に人為

均値を，統合失調症 4 例と対照 4 例で比較すると，性が伴う．われわれの方法では，三次元構造その統計的に有意な差がある（Welchʼs t test，P＝ものを数値で評価しており，構造の解釈に偶然や0.020）．したがって，本研究で解析した統合失調

解析者の意思が入り込む余地がない．

症 4 例では，遠位の神経突起の曲率が有意に大きくなっていると結論できる．

統合失調症で観察された神経突起の蛇行あるいは曲率の上昇は，神経突起の太さと関連していこのような曲率の上昇は，構造全体では神経突る．図 6c，d では，各神経突起の曲率と太さの関起の蛇行となる．図 6a，b には最も曲率の大きい係をプロットしている．このように曲率と太さは統合失調症例 S4 の構造と，年齢・性別を合わせ反比例しており，太い神経突起は曲率が小さく，た対照例 N4 の構造を示している．S4 例では神経細い突起は曲率が大きい．統合失調症で遠位の神突起が蛇行して縮れているのに対し，N4 例では経突起の曲率が大きいことと考え合わせると，細神経突起の走行がなめらかである．統合失調症で胞体から遠い位置で神経突起がやせ細って蛇行しの神経突起の蛇行は，ヒト組織切片でも報告されている様子がうかがえる．図 6a で示した最も曲率ており ，NMDA 受容体の遮断薬 MK 801 を投の大きい統合失調症例 S4 では，GLO1 遺伝子に45）

糸 川・他：統合失調症における神経細胞の構造変化

933
b

a

3.0

1.0
0.5
0.0

Curvature（μm－1）c

Torsion（μm－1）

1.5

2.0
1.0
0.0
－1.0
－2.0

N1

N2

N3

N4

S1

S2

S3

S4
d

2.0

Curvature（μm－1）

Curvature（μm－1）

2.0

1.5
1.0
0.5
0.0

N1

N2

N3

N4

S1

S2

S3

S4

N1

N2

N3

N4

S1

S2

S3

S4

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

N1

N2

N3

N4

S1

S2

S3

S4

図 5 神経突起の曲率と捩率の蜂群図
S1〜4 が統合失調症例で，N1〜4 が対照例．横線は四分位を示す．a：神経突起の曲率．個人ごとに分布の形に違いがあり，統合失調症で分布が上に伸びている．b：神経突起の捩率．こちらはあまり差がみられない．c：神経突起のうち，視野で見切れるなどして細胞体につながっていない突起の曲率の分布．統合失調症で平均値が有意に高い（P＝0.020）．d：細胞体につながる神経突起の曲率の分布．こちらは明確な傾向がない．（文献 37 より引用）

フレームシフト変異が見出され3），治療抵抗性がの半径）のプロット（図 7c，d）では，左側のく報告されている24）．GLO1 遺伝子の変異を伴った

さび形分布のグループと，右側の三角形のグルーS4 例では，カルボニルストレス が，神経突起に

プに明確に分かれており，それぞれ，短い stubby

ダメージを与えた可能性が示唆される．

spine と首のある necked spine に相当すると考え4）

スパインについても同様に解析した が，スパられる．このような構造パラメータからスパイン

インの曲率（図 7a）と捩率（図 7b）には統合失が分類できることを示したのは初めてであるが，調症例と対照例で有意な差はみられなかった．ス

それでも統合失調症例と対照例の間で違いがな

パインは，長くて首のあるものや，短くて首のなかった．頭と首の太さを比べることを考えて，最いもの，細くて頭のないものなど，構造からいく

大半径/最小半径の比と長さでもプロット（図 7e，

つかのタイプに分類されている ．そこで，それf）してみたが，明確なグループに分かれず，まらスパイン特有の構造パラメータでもプロットした，統合失調症例と対照例の違いも見出せなかってみたのが図 7c〜f である．長さと最小の太さ（首

た．統合失調症に関しては，神経突起の単位長さ

37）

15）

精 神 経 誌（2019）121 巻 12 号

934

a

d

2.0

Curvature（μm－1）

Curvature（μm－1）

c

b

1.5
1.0
0.5
0.0

0.5

1.0
1.5
2.0
Radius（μm）

2.5

3.0

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

0.5

1.0
1.5
2.0
Radius（μm）

2.5

3.0

図 6 統合失調症例および対照例での三次元構造と曲率のプロット
a：統合失調症例 S4 での三次元構造の 1 例（文献 37 より引用）．全体的に突起が蛇行している．b：対照例 N4での構造の 1 例．突起の走行が S4 に比べてなめらかである．スケールバーはいずれも 5μm．c，d：神経突起の曲率と太さの関係．横軸は突起の半径で，太いものほど右にある．縦軸は曲率で，急カーブのものほど上にある．赤がスパインのある突起で，青がスパインのない突起．統合失調症例 S2（c）では，左端まで細く曲率の高い突起が分布しているのに対し，対照例 N2（d）では，プロットが一定の位置に集中している．

あたりのスパイン密度の減少が，一部の部位で報スを伴った症例の死後脳の所見も報告がない．し告されている．今回解析した症例でもスパイかし，現状では症例数が限られており，ごく一部

ン密度を求めたが，統合失調症例と対照例に有意の脳組織を解析しただけであるため，症例も部位差はみられず（Welchʼs t test，P＝0.56），むしも対象を広げて解析を進める必要がある．ただろ，スパイン密度は死後時間と強く逆相関してい

し，DSM の基準を満たす統合失調症が Kraepelin

た（Spearmanʼs ρ＝−0.95，P＝0.0011）．これまの二分法から敷衍された症候群であることから，

での報告では，この点について必ずしも配慮され

今回の所見を反映する症例と反映しない症例が存ておらず，統合失調症で本当にスパインが減少し在することを前提に対象を拡大する注意が必要でているのかどうか，死後時間も踏まえて綿密に検ある．拡大したサンプルで，曲率が亢進する群と討しなおすことが求められる．

しない群を比較して，臨床像や遺伝子・生化学的12,44）

な違いを検討する意義があると考える．神経細胞
お わ り にの染色に用いたゴルジ法は，一部の神経細胞を標

放射光ナノトモグラフィ法を用いて，統合失調

識するのみで，すべての細胞を可視化しているわ

症例と対照例で前部帯状回の神経細胞の構造を解けではない．このため，解析対象が限られた細胞

析し，個人の間で神経突起の曲率に違いがあり，であることに留意が必要である．また，統合失調統合失調症では曲率が有意に高くなることを見出症例では薬物の投与による影響が除外できず，構した．統合失調症の死後脳について放射光を用い造変化が疾患によるものか，治療によるものかはて解析した報告は前例がなく，カルボニルストレ

明らかでない．しかし，もし，治療による構造変

糸 川・他：統合失調症における神経細胞の構造変化
a

935
b
8.0
Torsion（μm－1）

Curvature（μm－1）

4.0
3.0
2.0
1.0
0.0

－4.0

N1 N2 N3 N4

S1

S2

S3 S4

N1 N2 N3 N4 S1 S2
d0.5

Minimum radius（μm）

Minimum radius（μm）

0.0

－8.0

c

0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

1.0

2.0

3.0
4.0
Length（μm）

5.0

6.0

e

S3

S4

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

1.0

2.0
3.0
4.0
Length
（μm）

5.0

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（μm）

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f
Maximum radius/minimum radius

Maximum radius/minimum radius

4.0

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Length（μm）

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0.0

図 7 スパインの構造を分析した各種プロット
a：曲率の蜂群図．N1 例は死後時間が長く（85 時間），観察されたスパインの数が少ない．それ以外の差は明確でない．b：捩率の蜂群図．症例間の差は明確でない．c：統合失調症例 S4 のスパインの長さ（横軸）と太さの最小半径（縦軸）のプロット．1 つ 1 つの点が各スパインを示す．左端のくさび型の分布が stubby spineに相当し，右の三角形の分布がそれ以外のスパインに相当すると思われる．d：対照例 N2 の長さと太さの最小半径のプロット．統合失調症例と対照例で分布に差がみられない．e：統合失調症例 S4 のスパインの長さと最大半径/最小半径の比のプロット．f：対照例 N2 の長さと最大半径/最小半径の比のプロット．これらも分布に差がみられない．（文献 37 より引用）

精 神 経 誌（2019）121 巻 12 号

936

化があるとすると，統合失調症で用いられる薬物

ルボニルストレスを伴う統合失調症は陰性症状がが，精神にかかわる脳の領域で神経細胞の構造を主体となり，治療抵抗性の転帰と関連がある2）．

変化させていることになり，また別の意味で検討

カルボニルストレスと神経突起の曲率亢進が追試を要する．

でも確認されることがあれば，Kraeplin がめざし

統合失調症に関しては，以前より神経細胞の構造変化が報告されている．一方で，それを21,23,45）

否定する説もあり，再現性が低いことが統合

14,16）

失調症の組織学的研究の妨げとなってきた．しかし，脳室拡大などのマクロな構造変化14,18,22）は，
つきつめれば脳組織を構成する細胞の変化に帰着されるはずであり，組織学的変化を想定するほうが自然である．これらのことは，従来の脳組織の解析法が，薄切の操作で神経細胞に歪みを生じ，さらに，二次元的な投影像にすることで神経突起の幾何学的情報を失ってしまっていた可能性を示唆している．
そもそも脳組織は三次元的な存在であり，三次元のままで計量・解析しなくては，本当の意味での比較は不可能である．しかし，薄切せずに組織を可視化しようとすれば，組織を通り抜ける光によるしかなく，X 線ではナノメータースケールの解析がようやく緒についたところである．また，
解析対象が二次元から一次元増えるとなると，通常の顕微鏡像の数千枚分を一度に分析しなくてはならない．それを何十回も繰り返すには，計算機関連技術とソフトウェアの力が必須となる．それら解析で得られた知見を素直に解釈すれば，精神は物体から遊離した測定不可能なものではなく，神経細胞という物の構造に依拠した数値化できるた病理・症状・経過・転帰（高い神経突起曲率・
陰性症状・慢性経過・転帰不良）を初めて確認す
ることも期待できると考える．
本研究の一部は，文部科学省科学研究費（21611009,
25282250, 25610126）ならびに関連各機関からの各種補助により行っている．大型放射光施設 SPring 8 における実験 は， 以 下 の 課 題 に よ り 実 施 し て い る：2011A0034,
2013A1384, 2013A1865, 2014A1057, 2014B1083,
2015A1160, 2015B1101, 2016B1041, 2017A1143,
2018A1164, 2018B1187. Synchrotron radiation experiments at the Advanced Photon Source were performed
under GUP 45781 and GUP 59766. This research used
resources of the Advanced Photon Source, a U. S. Department of Energy（DOE）Office of Science User Facility
operated for the DOE Office of Science by Argonne
National Laboratory under Contract No. DE AC02
06CH11357.
なお，本論文に関連して開示すべき利益相反はない．
謝

辞

本稿で取り上げた研究は，竹腰進，井野元智恵，

中村直哉，坪井秋男，大澤資樹（東海大学医学部），井手聡
一郎，池田和隆（東京都医学総合研究所），竹内晃久，上杉
健太朗，寺田靖子（JASRI/SPring 8），鈴木芳生（東京大学大学院新領域創成科学研究科），Vincent De Andrade,
Francesco De Carlo（米国アルゴンヌ国立研究所）各氏との共同研究である．加えて多くの方々のご指導お力添えをいただいており，すべて挙げられなくて恐縮ながら，関係各位に心より謝意を表する．

存在のようである．
統合失調症が Kraepelin の二分法に依拠している以上，これが巨大な症候群であり複数の異なる疾患が内包されていると考えることに妥当性がある．そこで，われわれは化学的病理（カルボニル

文献1）Alaerts, M., Del Favero, J.：Searching genetic
risk factors for schizophrenia and bipolar disorder：learn
from the past and back to the future. Hum Mutat, 30（8）；1139 1152, 2009

ストレス）をマーカーとして症候群から比較的均

2）Arai, M., Yuzawa, H., Nohara, I., et al.：Enhanced

一な集団を抽出することで，科学的所見の再現性

carbonyl stress in a subpopulation of schizophrenia. Archを高める研究手法を提案し，治療薬の臨床試験にまで至った経緯がある17）．今回得られた所見で最も著しい変化を示した症例が，カルボニルストレ
スを伴う統合失調症であったことが興味深い．カ

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精 神 経 誌（2019）121 巻 12 号

938
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そして双極性「障害」はモノですか？

それともコトですか？

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糸 川・他：統合失調症における神経細胞の構造変化

939

Structural Alteration of Neurons in Schizophrenia：Geometry of Brain Tissue

Masanari ITOKAWA1,2）, Kenichi OSHIMA1,2）, Makoto ARAI1）, Youta TORII3）, Itaru KUSHIMA3）,
Shuji IRITANI2,3）, Norio OZAKI3）, Rino SAIGA4）, Ryuta MIZUTANI4）
1）Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science2）Tokyo Metropolitan Matsuzawa Hospital3）Nagoya University Graduate School of Medicine
4）Department of Applied Biochemistry, Tokai University

The psychiatric symptoms of schizophrenia suggest the structural alteration of neurons.
This review summarizes our structural studies of brain tissues from schizophrenia patientsand control cases using synchrotron radiation. We found that the geometry of neurites differs
among individuals and becomes abnormal in schizophrenia. Synchrotron radiation is electromagnetic radiation covering a broad spectrum from X rays to infrared light. The highly brilliant X rays enable the analysis of nanometer scale three dimensional structures of objects
such as asteroid samples returned by the Hayabusa mission. The principle of three dimensional visualization is the same as that of clinical CT, but its spatial resolution is three to four
fold higher. Thus, this method is called nanotomography（nano CT）or microtomography（micro CT）. We applied nano CT for the structural analysis of brain tissues from schizophrenia and control subjects. Nano CT was performed at the third generation synchrotron radiation facilities of SPring 8 in Japan and the Advanced Photon Source of Argonne National Laboratory in the United States. Biopsied brain tissues of the anterior cingulate cortex were stained
by Golgi impregnation in order to visualize neurons in the X ray images. The obtained three
dimensional images were analyzed by tracing their neuronal networks using automatedmachine recognition algorithms. As the traced models are represented by Cartesian coordinates, we can quantitatively evaluate the geometry of the neurites. The neurites visualized in
the three dimensional image can be regarded as three dimensional curves. A three dimensional curve is represented by two geometric parameters：curvature and torsion. The curvature corresponds to the reciprocal of the radius of the curve, and the torsion represents thedeviation of the curve from a plane. Analysis of a total of 2592 schizophrenia and 2069 control
neurites revealed the median curvature to be significantly different among individuals, evenamong controls（P＜2.2×10−16）. The anterior cingulate cortex analyzed in this study has beenreported to be responsible for emotion and recognition functions, and is associated with psychiatric disorders, including schizophrenia. Therefore, the differences in neurite geometry
observed among individuals may represent mental individuality. We further analyzed the differences in neurite geometry between the 4 schizophrenia and 4 control subjects, and foundPowered by TCPDF (www.tcpdf.org)

精 神 経 誌（2019）121 巻 12 号

940

that the mean neurite curvatures in the schizophrenia subjects were 1.5 times higher thanthose in the controls（P＝0.020）. The schizophrenia subject with the highest neurite curvature
had a frame shift mutation in the glyoxalase 1 gene. This suggests that the carbonyl stressdue to the mutation caused structural changes in the neurons, resulting in the reported treatment resistance. We also analyzed the dendritic spine spinal structure using the same strategy,
but no significant differences were observed between the schizophrenia and control subjects.
The spine density was highly correlated with the postmortem time, suggesting that the spinal
changes related to schizophrenia should be re evaluated considering the postmortem time.
Whether the neuronal structure changes in schizophrenia continues to be a topic of discussion,and controversies remain regarding the structural changes due to the difficulty in reproducing
the reported changes. The nano CT visualization technique using synchrotron radiation andsubsequent geometrical analysis may shed light on this long standing question about microstructural changes in the schizophrenic brain.
＜Authorsʼ abstract＞＜Keywords：schizophrenia, neuron, synchrotron radiation, tomography＞